基于安卓平臺的增強現(xiàn)實導航系統(tǒng)設計

邊根慶 田飛騰

摘要：文章借助安卓手機傳感器、位置服務、圖像識別和OpenGL ES等技術，設計并實現(xiàn)一個基于安卓平臺的增強現(xiàn)實導航系統(tǒng)，通過增強現(xiàn)實技術實現(xiàn)虛擬導航信息渲染，通過圖片識別技術實現(xiàn)建筑物識別，改善用戶交互體驗。

關鍵詞：增強現(xiàn)實；手機導航；OpenGL ES； ORB算法；圖像識別

隨著社會的不斷進步，人們對導航的需求越來越強烈。目前大多數(shù)智能手機上的導航軟件都是以2D或3D形式提供導航服務，但這些都是通過矢量數(shù)據(jù)來提供地圖導航，沒有充分發(fā)揮智能手機上多傳感器等特性，用戶體驗性差。所有信息都是以屏幕為中心進行展示，沒有與真實世界更好地融合。用戶需要首先判斷手機相對于大地坐標系的方位朝向，然后觀察手機的導航信息，按照手機提示的信息進行導航。這種傳統(tǒng)的方式已經(jīng)不能滿足用戶需求，尤其是被稱為“路癡”的那些用戶。因此，本系統(tǒng)將在手機導航系統(tǒng)中添加更多的路徑參考元素，讓使用的人在行走的同時可以看到增強現(xiàn)實的場景就在眼前，讓原本陌生的街道在打開本系統(tǒng)的時候變得熟悉。

同時，增強現(xiàn)實技術的發(fā)展越來越火熱，在很多領域嶄露頭角。增強現(xiàn)實技術具有很廣闊的適用性，在軍事、旅游、娛樂、醫(yī)療等領域都有很多的應用軟件。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的普及，移動增強現(xiàn)實技術也有了長足的發(fā)展。

因此，本文結(jié)合智能手機內(nèi)置傳感器，基于現(xiàn)有的位置服務、增強現(xiàn)實技術、圖像識別技術，改善現(xiàn)有的導航系統(tǒng)，設計和實現(xiàn)了一款基于安卓平臺的增強現(xiàn)實導航系統(tǒng)，提供了更好的導航體驗。

1 核心技術研究

本章主要是對增強現(xiàn)實導航系統(tǒng)的兩個核心技術進行研究。針對改善現(xiàn)有導航體驗，提出一種基于傳感器移動增強現(xiàn)實技術的POI展示方法；為實現(xiàn)對建筑物圖像的識別，提出一種基于ORB 算法（Oriented FAST and Rotated Brief）和位置信息的建筑物識別方法。

1.1 一種基于傳感器移動增強現(xiàn)實技術的POI展示方法

本論文研究并提出了一種基于傳感器移動增強現(xiàn)實技術實現(xiàn)的POI展示方法，將通過百度地圖API獲取的周邊POI信息，將POI信息以標簽的形式按照相應的空間位置，渲染到通過手機攝像頭獲取的視頻流上。具體如圖1所示。

該方法解決的是如何實時地計算增強現(xiàn)實圖形在屏幕View坐標系上的位置。具體分為4步：（1）獲取標簽的x軸坐標初始值。（2）獲取標簽的y軸坐標的初始值。（3）根據(jù)手機傾斜角度調(diào)整標簽在兩個坐標軸上的坐標。（4）根據(jù)POI標簽位置優(yōu)化方法確定坐標的最終值。

最終根據(jù)前面的映射關系將POI標簽渲染到通過手機攝像頭獲取的視頻流上，實現(xiàn)虛實融合。當手機傳感器信息發(fā)生變化時，重新計算映射關系，進而重新對標簽進行渲染。

1.2 —種基于ORB算法和位置服務的建筑物識別方法

本文提出建筑物識別是基于特征的圖像識別算法，由于在對建筑物識別的過程中，存在很大的外界干擾，包括視角變化、遮擋以及光照等。而且本文系統(tǒng)是應用在智能手機平臺上，在硬件性能方面有一定的限制，本文最終選取ORB算法作為特征點檢測匹配算法。

由于實際情況下建筑物都是在固定位置擁有位置信息這個屬性，因此可以先獲取用戶的位置信息，并通過位置信息篩選出用戶附近的建筑物，縮小匹配范圍，提高建筑物識別效率。

如圖2所示，建筑物識別方法的步驟如下：

（1）首先通過手機攝像頭獲取到建筑物的圖像，通過OpenCV庫用ORB算法進行特征點提取，獲取目標建筑特征點。

（2）通過手機獲得經(jīng)緯度信息，就據(jù)經(jīng)緯度信息篩選出周圍50 m范圍內(nèi)的建筑物信息，具體思路如圖3所示，首先以經(jīng)緯度信息0（lat，lng）為圓心，以^的半徑計算出一個圓，然后計算出該圓形的正切正方形4個頂點（A，B，C，D）。最后以正方形的4個頂點為篩選條件從數(shù)據(jù)庫中選出符合條件的建筑物。

其正切正方形詳細計算步驟如下：

（3）根據(jù)前面選出符合條件的建筑物，在特征集庫中選出相應特征集，將這些特征集與步驟（1）中獲取的特征點通過漢明距離進行匹配，然后通過RANSAC算法提純，最終選出識別成功的建筑物，并從資源庫中提取相關說明信息。

2 增強顯示導航系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)包括3個模塊：POI展示模塊、導航模塊和建筑物識別模塊。下面將分模塊對系統(tǒng)進行設計，并在最后給出系統(tǒng)的運行效果圖。

2.1 POI展示模塊設計

本模塊包括POI標簽顯示、POI搜索篩選和雷達圖顯示。本模塊的核心是POI標簽顯示，為用戶展示周圍的POI信息，包括距離、方位、名稱、POI類型等信息，POI標簽根據(jù)手機朝向和位置信息發(fā)生改變時而改變，以達到增強現(xiàn)實的效果。

2.2 導航模塊設計

本模塊的核心設計是導航路徑數(shù)據(jù)在OpenGL ES的3D坐標系上的映射方法。它給用戶提供了直觀的到達POI的導航路徑圖形，包括實時調(diào)整當前位置與前方路口的距離以及用圖形展示出轉(zhuǎn)彎指示信息。其存在問題是如何直觀地展示導航路徑信息，與POI展示模塊不同，由于本模塊不存在密集和遮擋的問題，因此可以更直觀地展示。

本模塊解決的是如何實時地計算增強現(xiàn)實圖形在OpenGL ES的坐標系上的位置，從而渲染到手機屏幕上的相應位置。通過百度地圖API獲取相應的導航數(shù)據(jù)，根據(jù)導航信息生成相應3D指示箭頭，并通過視點變換實時調(diào)整圖形的位置，就能保證較好的增強現(xiàn)實效果。

另外，由于隨著用戶行走過程中位置的不斷變化，手機屏幕上的導航信息也要跟著實時刷新，從而更新導航路徑數(shù)據(jù)在OpenGL ES 3D坐標系上的位置。

2.3 建筑物識別模塊設計

本模塊的核心設計是通過圖像識別技術識別出建筑物，通過手機攝像頭獲取建筑物的圖片，并與數(shù)據(jù)庫中的建筑物特征點集進行匹配，成功后返回相關信息。

本模塊解決的是如何高效準確地識別建筑物。為此，通過手機獲取用戶位置信息進行篩選，建筑物識別時只匹配用戶周邊的建筑物，縮小了匹配范圍，極大地提高識別效率和準確度。

2.4 增強顯示導航系統(tǒng)展示

打開導航系統(tǒng)，首先，進入POI展示界面如圖4（a）所示。點擊底部菜單欄上的導航按鈕即可進入導航模塊界面，圖4（b）為實景導航效果圖。點擊菜單欄上的建筑物識別按鈕，即可進入建筑物識別模塊如圖4（c）所示，點擊識別按鈕即可進行建筑物識別。

3 結(jié)語

伴隨著社會的發(fā)展，人們對導航的需求越來越強烈。本文設計一種增強現(xiàn)實導航系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用基于傳感器的增強現(xiàn)實技術，借助手機的方向傳感器和磁力計、百度定位和導航SDK提供的位置信息，并在OpenGL ES 3D渲染技術和圖像識別技術的基礎上實現(xiàn)了增強現(xiàn)實導航的效果，并加入了建筑物識別模塊，在Android手機上實現(xiàn)了更直觀的導航表現(xiàn)。

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